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伽利略號木星探測器

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伽利略號是1989年從「亞特蘭蒂斯」號太空梭上發射的,是美國航天局第一個直接專用探測木星的航天器,也是美國宇航局發射的最成功的探測器之一。它於1989年升空,1995年12月抵達環木星軌道。它旅行了28億英里,它的終結日期比原來預計的晚了六年。伽利略號繞木星飛行了34圈,獲得了有關木星大氣層的第一手探測資料,在1995年將一個探測器放到了木星上。它發現在木星的衛星歐羅巴(Europa)、Ganymede、Callisto的地下有鹹水,還發現木星衛星Io上有劇烈的火山爆發。「伽利略」號探測器在2003年9月21日墜毀於木星,以此結束其近14年的太空探索生涯,是美國宇航局自1999年以來首次控制探測器在地球之外的天體上墜毀。

1 伽利略號木星探測器 -簡介

伽利略號木星探測器伽利略號探測器的結構圖及儀器

1989年 10月18日,由「阿特蘭蒂斯」號太空梭送入軌道的「伽利略」號木星探測器,是美國航天局第一個直接專用探測木星的航天器。伽利略木星探測計劃始於1978年,最初計劃於1982年1月發射,后因經費不足、飛行設計修改和太空梭發射失敗等原因而先後9次變動計劃。致使發射一再推遲,研製經費高達13.6億美元。

2 伽利略號木星探測器 -概述

伽利略號木星探測器伽利略號木星探測器

1989年10月18日,由美國的「亞特蘭蒂斯」號太空梭施放了一顆「伽利略」號木星探測器。這是迄今為止世界上研製和發射的結構及性能最為複雜,技術最為先進的行星際探測飛船,它是用來執行美國經過10年精心準備的最重要的木星探測計劃的。此次「伽利略」號木星探測計劃是由美國和聯邦德國聯合進行的。

「伽利略」號飛船造價近10億美元,是美國迄今最精密的星際飛行器,整個發射計劃耗資約15億美元。飛船總重 2550公斤,有一具核動力裝置,內裝22.7公斤放射性鈾-238。飛船配備著攝像機、近紅外勘測分光儀、磁強儀、測雲儀、大氣結構儀等17種科學儀器,用於木星大氣層構成、雲層結構、溫度、磁場等方面的勘測和研究。

「伽利略」號發射后,不停地朝向太陽軌道飛行了兩年,於1990年2月通過金星,於1990年12月以時速1.429萬千米的速度,首次通過地球軌道,再以時速12.71萬千米的速度,於1992年12月第二次通過地球軌道和地—月交會軌道,並對它們都「順便」進行紅外觀測。最後以時速14.03萬千米的速度,於1995年12月7日到達木星。它的軌道器在釋放出探測器后,就成為木星的人造衛星,探測器則下降到木星表面,並及時地向地球連續地發回了各種寶貴的探測數據。使人類對這個距離地球非常遙遠的星球第一次有了了解。

「伽利略」號木星探測飛船,是美國動員了成千上萬名專家和工程技術人員,耗費了巨額資金研製成功的。飛船起飛總重為2550千克,由軌道器和大氣探測器兩部分組成。

「伽利略」號探測飛船的軌道器結構十分獨特,它採用雙自旋結構,由一個每分鐘數圈慢速旋轉的自旋艙和一個定向艙組成。自旋艙有一台直徑5米的拋物面天線和無線電傳輸裝置,一台主發動機和兩組輔助的小型噴管,以鈈239為燃料的熱核電發電機、磁強計和等離子體粒子遙感裝置,高能粒子檢測儀,塵埃粒子檢測儀等。而定向艙的體積比較小,裡面只裝備著多種先進的光學攝像裝置,一架小型天線,CCD照相機。這種照相機比「旅行者」號探測器上的照相機靈敏度高100倍,可拍攝到大量清晰的天體圖象。軌道器的總重量為2205千克。

伽利略號木星探測器伽利略號木星探測器
大氣探測器由制動防熱罩和一個球形儀器艙組成。制動防熱罩是一個120度錐角的鈍頭圓錐殼體,表面覆蓋著一層很厚的碳燒蝕防熱層。這層防熱罩的重量佔了探測器總重量 的50%。球形儀器艙里裝備了大氣組分探測計、質譜儀、氦氣濃度計,測雲計,輻射計,高能粒子探測計等多種先進的探測儀器設備,還裝備有降落傘系統,無線電發射裝置和電源系統。大氣探測器的總重量為345千克。

軌道器於1995年7月到達木星軌道前150天,放出大氣探測器后,沿著木星橢圓軌道執行探測任務,並繞木星飛行了22個月,拍攝到木星及其衛星的大量清晰的照片;大氣探測器則深入木星大氣層的深處探測大氣層的成分和物理特性。這個探測器以每秒48千米的速度進入狹窄的通道最後進入大氣層,它承受了400g的加速度,表面壓力高達14個大氣壓,表面溫度高達780攝氏度高溫,在它打開降落傘徐徐下降的過程中,展開了各種測量工作。隨著高度的下降,大氣壓力和氣溫越來越高,最後高達20個大氣壓,這時,環形探測器被大氣壓垮,探測工作被迫終止。整個工作歷時1小時。

3 伽利略號木星探測器 -技術參數

伽利略號木星探測器這是一張美國"伽利略"號探測器於1998年5月31日拍攝到的木星衛星「歐羅巴」表面照片。
「伽利略」號探測器呈不規則長形體.總重約2717千克,由木星軌道器和再入器兩部分組成,在到達木星前約150天時,兩者分離,軌道器環繞木星運行探測;再入器深入水星大氣層考察。

軌道器是由美國的噴氣推進實轉室設計、製造和操作的,其總重為2378千克,正常情況下以3.15轉/分自旋穩定。其上的主要設備為;推進艙,包括一個機動推力器和一個單一入軌推力器,與推進劑一起共重約1185千克;2台放射性同位素熱電偶發電機,可提供0~480瓦的電力;一個約5米直徑的高增益地球通信天線,用S和X波段與地球通信,定向精度為0.1度。

軌道器上還裝有很多精密的探測儀器,主要包括:CCD攝像機,發回的照片清晰度比「旅行者」探測器的高20~1000倍,可分辨出木星衛星表面3O~50米範圍的細節;近紅外繪圖分光計,可探測出氮、磷化氫、水、甲烷、鍺等組分;紫外分光計能探測出氮、氫和氧等;光子偏振、輻射計,可以測量偏振光和光強度;磁強計、高能粒子檢測儀、等離子體檢測儀、等離子體波分系統(測量電場和磁場變化)、塵埃粒子檢測儀和重離子計數器等,可用於對木星磁層等的研究。

再入器是由美國航天局的艾邁斯研究中心負責設計,休斯飛機公司創造的。其外形呈扁錐體,總重約339千克、其中僅防熱殼就重達220千克。其上有2台1波段發射機、能以128比特/秒的速率發送測量數據,經軌道器中繼到地球。再入器上的探測儀器有:大氣結構檢測儀,能測量木星大氣的溫度、壓力等;中性質譜儀,可測定木星大氣組分;氦分量檢測儀,用於測定木星大氣中的氦氣含量;測雲計、純流量輻射計以及光和射電檢測儀等。 

4 伽利略號木星探測器 -歷史

伽利略號木星探測器這是一張1989年拍攝的美國"伽利略"號探測器的資料照片

 「伽利略」號是美國宇航局發射的最成功的探測器之一。它於1989年升空,1995年12月抵達環木星軌道。此後,該探測器對木星及其衛星進行了7年多探測,獲得了不少重要發現。去年十一月是伽利略號進入太陽系最大行星木星軌道的七周年紀念,當時伽利略號飛越木星的衛星之一阿曼爾(Amalthea,又稱木衛五),而且繼續下探木星的輻射帶。

伽利略號是核子動力宇宙飛船,造價十五億美元,一九八九年十月十八日由亞特蘭提斯號太空梭發射后飛越金星一次、地球兩次,藉兩行星的重力加速。

伽利略號在飛往木星途中,拍攝了一部地球在太空中運轉的電影,還為兩顆小行星拍下高解析度的照片,並在一九九三年拍下彗星破片撞進木星大氣層的的唯一一批照片。

過去十四年間,伽利略號也出過不少問題。一九九一年四月十一日,伽利略號價值三百七十萬美元的五公尺寬高功率天線卡住,無法張開,宇宙飛船無法對地球進行高速數據傳輸,工程人員只好改用宇宙飛船的低功率天線進行作業。過了不久,宇宙飛船出了神秘的電子問題,不時讓宇宙飛船進入受保護的「安全狀態」。

一九九五年十月,伽利略號飛近木星時,錄取資料的磁帶機卡住,後來工程人員也修復了這個問題。 「伽利略」號探測器在美國東部時間2003年9月21日縱身「跳」入木星大氣層,以一種近乎自殺的方式使自己焚毀,為長達14年的太空之旅畫上了句號。

進入木星

「伽里略」號探測器在美國東部時間2003年9月21日縱身「跳」入木星大氣層,以一種近乎自殺的方式使自己焚毀,為長達14年的太空之旅畫上了句號。

「快點走啊,『伽里略』號!」在地面控制人員的遙控下,重達2.5噸的探測器逐漸向木星靠近,然後飛入木星黑暗的背面。當天下午快4點的時候,「伽里略」號與地球的通信聯繫中斷,幾分鐘后墜入木星大氣層。

「伽里略」號的墜落速度據估計達到約每秒48公里。按照這一速度,從美國西海岸的洛杉磯到東部的紐約只需82秒。它與木星大氣劇烈摩擦產生的高溫基本將探測器焚毀殆盡。

難以割捨

數百名科學家、工程技術人員和他們的家屬,聚集在帕薩德納的美國宇航局噴氣推進實驗室,遙送「伽里略」號走完最後一段路程。不少人已經在這個項目中工作數十年,探測器的隕落讓他們頗為傷感。一位名叫洛佩斯的科學家說:「對一位老朋友說再見,真有點難過。」墜落過程開始后,最後一任項目主管亞歷山大女士的眼睛也一度變得濕潤。

「伽里略」號雖然是一台無生命的機器,但它從孕育到墜毀過程中經歷的種種輝煌和挫折,讓科學家們難以割捨。

「伽里略」號探測計劃最早於上個世紀70年代初提出,1977年得到宇航局批准,但直到1989年才由「阿特蘭蒂斯」號太空梭送入太空。之後,探測器上的主天線曾出現故障,但地面控制人員最終找到了讓它發回探測數據的其他辦法。

壽命延長

探測器原定約2年的使命先後被3次延長。在1995年12月飛抵環木星軌道后的7年多時間內,它創造的記錄有:繞木星運行34周,與木星主要衛星35次相遇,發回包括1.4萬張照片在內的3萬兆比特數據,在木星的三顆衛星上發現了地下液態鹽水存在的證據,第一次從軌道上對木星系統進行了完整考察,第一次對木星大氣進行了直接測量。

美國宇航局原打算讓「伽里略」號在環木星軌道上運行下去,但探測器有關木衛二上可能存在海洋的發現使專家們改變了想法。「伽里略」號的主要使命不是去外星尋找生命,在設計時探測器沒有經過消毒處理。當它燃料即將用盡時,在木星引力的作用下軌道可能發生變化,並可能與木衛二相撞。理論上,探測器與木衛二相撞可能導致地球的微生物在木衛二上立足,這種情況將會影響未來在這顆衛星上尋找本土生命的工作。

美宇航局由此決定,在「伽里略」號燃料未完全用盡、還能控制運行軌道之時,讓它葬身於木衛二之外的其他天體上,這個「安葬地」最終定為木星。

不幸之旅

伽里略號的旅程並不幸運。它原本的計劃是由太空穿梭機將它和它的推動火箭--半人馬座火箭送入地球軌道。然後半人馬座火箭將用2年半的時間將伽里略號送抵木星。在80年代初,伽里略號完工的時候由於太空梭和運載火箭沒有準備好。所以推遲了發射時間。當一切準備妥當之後,升空日期便定在了1986年的5月。但在1986年1月的挑戰者號穿梭機慘劇發生后,美國政府停止了一切的升空活動,並對安全準則作出了檢討。伽里略號的升空時間被延後至3年之後。新的安全準則也隨之增加,包括使用低功率的推進火箭,並禁止在太空梭的運送倉內放置燃料。這意味著半人馬座火箭將取消。為了進入預期的軌道,太空船會先進入金星的軌道,再藉助引力來加速,再兩度折回地球加速,然後前往木星。這使得原本預定2年半的旅程變成了6年。在等待升空的三年中,伽里略號被多次改造,運送和儲藏。有人認為這3年的「旅程」很可能就是升空后諸多問題的原因。

伽里略號利用增加了的旅程,對月球的光面和暗面的地表化學物質作出了比較,而且還對地球南極的臭氧層作出了大氣觀測。但在最後一次離開地球之前,問題再度出現。伽里略號的主天線--高增益天線被發現不能準確打開。高增益天線作為伽里略號和地球聯絡的主要工具,它的出錯造成了嚴重的後果。本來伽里略號能每數分鐘往地球發回一張照片,故障發生后變成了數周一張。幸而,計算機技術的發展對此作出了彌補。數據能通過壓縮再傳送,這使得照片的傳送時間減少為數小時。

伽利略號木星探測器美國"伽利略"號探測器
困難重重

伽里略號略過小行星帶時,伽里略號對小行星951和小行星243(Ida)作出精密觀測,發現Ida的衛星,並命名為dactyl。在1994年的彗星撞木星天文奇觀中,伽里略號觀測了舒梅克·利維九號彗星的碎片撞入木星的過程,地球上的望遠鏡則要等待木星自轉來觀測其陰影。

然而,在到達木星的兩個月前,另一個問題發生了。伽里略號的磁帶記錄器發生了故障。磁帶記錄器的主要任務是,記錄伽里略號上各種儀器所探測到的結果,並在適當的時候發回地球。在主天線發生故障之後,磁帶記錄器的作用就顯得非常重要了。為了對磁帶記錄器作出調整,伽里略號放棄了原本探測木衛一的計劃。

伽里略號帶有一個探測器,該探測器的任務是沖入木星的大氣,並在燃燒殆盡前,儘可能多的發回數據。這是個艱難的任務,與木星大氣摩擦將產生高達華氏21000度的高溫。在打開降落傘減速之後,探測器將與抵擋高溫的擋熱板脫離。獨自承受木星的風暴,高溫和巨大的壓力。在1995年12月7日,探測器進入了木星的大氣。探測器成功地發回了信號,並在降落了57分鐘之後,探測器被木星發出的熱力燒毀。但這57分鐘大大地增加了我們對木星的大氣和氣候的了解。

伽里略號對研究木星的衛星也作出了很大的貢獻。在伽里略號到達木星之前,人們一共發現了16顆木星的衛星。伽里略號到達后又發現了多個衛星。現在,這個數字已經上升到了63個。

由於受到輻射的破壞,伽里略號的攝影裝置於2002年1月17日停止運作。工程師由於能夠修復磁帶的資料,因此它能在墜毀以前繼續傳送資料回地球。

從美國「伽里略」號探測器傳回的最新的資料表明,在木衛二的表層下可能有海洋。這一新證據再次為科學家們早先根據資料作出的「木衛二上有水」的假設添加了重量級砝碼,並引起了生物學家對木衛二上是否存在生命的爭論。

伽利略號木星探測器伽利略號與木衛Io的最後一次「約會」
結束使命

「伽里略」號探測器在距木衛二上空351公里的地方飛掠而過。令人驚訝的是,木衛二地磁北極點的地理位置在變化,並且移動得很頻繁,幾乎每5個半小時就移動一定距離。 

這個結果讓許多科學家困惑:究竟是什麼力量驅使木衛二的地磁北極點不斷運動呢?「我認為這些發現告訴我們,在木衛二的地表之下有一個液體水層。」空間科學家瑪格麗特·基維爾森說。按照科學家的解釋,如果在木衛二的地表之下有一個液體傳導層———諸如鹽水層———那將可以最為完滿地解釋磁性極點的不斷變遷。基維爾森據此表示:「這些新發現對於木衛二上存在海洋的設想非常具有說服力。」

在伽里略號的任務結束后,美國太空總署的下一個探測器名為木星冰月軌道器(Jupiter Icy Moons Orbiter, JiMo),現在處於草擬階段。 

創造記錄

伽利略」號探測計劃最早於上個世紀70年代初提出,1977年得到宇航局批准,但直到1989年才由「阿特蘭蒂斯」號太空梭送入太空。之後,探測器上的主天線曾出現故障,但地面控制人員最終找到了讓它發回探測數據的其他辦法。 探測器原定約2年的使命先後被3次延長。在1995年12月飛抵環木星軌道后的7年多時間內,它創造的記錄有:繞木星運行34周,與木星主要衛星35次相遇,發回包括1.4萬張照片在內的3萬兆比特數據,在木星的三顆衛星上發現了地下液態鹽水存在的證據,第一次從軌道上對木星系統進行了完整考察,第一次對木星大氣進行了直接測量。 美國宇航局原打算讓「伽利略」號在環木星軌道上運行下去,但探測器有關木衛二上可能存在海洋的發現使專家們改變了想法。

5 伽利略號木星探測器 -墜毀

伽利略號木星探測器伽利略號成功墜毀木星后地面工作人員熱烈擁抱慶祝

NASA的伽利略號探測飛船美國時間2003年9月21日下午(北京時間9月22日凌晨)結束了在木星的八年使命,它按照預期撞向了這顆最大的行星,而科學家們在地球上熱烈慶祝。

在墜毀之日,「伽利略」號將運行到木星背面,然後以大約每小時17萬公里的速度墜入木星大氣層。「伽利略」號與木星大氣摩擦過程中所形成的高溫會使該探測器發生劇烈燃燒,並最終墜毀於木星。與「伽利略」號探測計劃有關的約1500名各界代表,屆時將聚集於美宇航局噴氣推進實驗室,為這顆探測器「送終」。伽利略計劃主持人泰力格女士說:「伽利略號宇宙飛船已經老化,燃料快要用罄,而且不斷暴露在輻射下。在宇宙飛船脫離我們的控制之前讓它以受到控制的方式了結,這樣做是對的。」對於參加建造、發射和照顧伽利略號的人來說,九月廿一日將標誌一個時代的結束。

NASA在加州帕薩德納的噴射推進實驗室發言人埃格爾表示,實驗室在美國東部時間下午3:40(北京時間今天凌晨3:40)多與飛船失去了聯繫,比預期的時間早了2小時36分鐘,有1000多人圍繞伽利略進行工作,他們都來到了實驗室慶祝任務結束。 科技無限 > 仰觀天文 > 航天探索:伽利略號墜毀木星 結束傳奇性使命">[2]

6 伽利略號木星探測器 -疑問

探測器撞木星三問
伽利略號木星探測器伽利略號木星探測器

疑問一:「伽利略」帶來了外星生命的佳音?

許多人會問,為什麼一個木星探測器會引起美國宇航局上千名科學家如此感慨?為什麼會引起全世界許多人的瞻目?

這得從「伽利略」號探測器的誕生和它帶給人類的偉大發現說起。前後費時30多年,耗資14億美元的「伽利略」號探測器其貌不揚,大小相當於一輛跑車,所搭載的儀器只有10件,控制它神經中樞的電腦更是只有相當於「蘋果II」的性能,而且發射升空不久便發現其主天線和另一個重要儀器失靈。

然而,就是它成了美國宇航局有史以來最偉大的太空探測器:它第一個拍到了月球和彗星在一起運行的照片;它第一個拍到了星際大爆炸的壯觀情景。那是1994年,一顆彗星猛烈撞擊木星,爆炸產生的威力比全世界的核武器爆炸能量加起來還多數百上千倍。這一情景最讓地球感動的是,如果沒有木星「無私」把彗星吸引到自己的身邊,那麼地球上的生命根本無法經受彗星天地大衝撞之重;最為偉大的是,它第一個拍到了木星衛星歐羅巴有海洋的照片!這讓地球生命看到了外星生命的希望。

疑問二:為什麼要讓「伽利略」號烈火焚身?

既然「伽利略」號勞苦功高,而且迄今性能穩定,為什麼非得讓它撞木星大氣層焚身滅跡呢?美國宇航局的答案非常明確:正是它的偉大發現決定了它最終悲壯焚身命運!

美國宇航局太陽系探索部門負責人科倫-哈特曼說。人類進行太空探索最想揭開的一個謎是:「茫茫太空中,地球生命真的孤獨嗎?」「伽利略」號探測器讓人類看到了外星球生命的希望,因為它從木星的衛星「歐羅巴」上發回的照片顯示,這顆木星的衛星有一片海洋!在地球上,水意味著生命,因此在地球外的其它星體大氣中,如果發現有水的跡象,那麼就意味著生命的綠洲!現在,「伽利略」號上的燃料即將用花,一旦沒有燃料的話,那麼這個宇宙探測器將失控,有可能撞向歐羅巴的海洋中,「伽利略」號上的地球細菌有可能在那片陌生的外星海洋上生存甚至發展起來,從而污染了遙遠的歐羅巴海洋,威脅那裡可能存在的外星生命!

「伽利略」項目負責人克勞迪婭說,讓「伽利略」號探測器烈火焚身是件正確的事,因為歐羅巴的環境太珍貴太值得我們地球人保護了,而且歐羅巴的海洋一定會成為未來人類太空探索最聚焦的星球,因為,那裡可能存在有地球生命的夥伴――外星生命!

伽利略號木星探測器伽利略號木星探測器

疑問三:「伽利略」最後之旅如何進行?

最讓人關心,最引人瞻目的當然是「伽利略」號的最後之旅。那麼,「伽利略」號的最後時刻將會是什麼樣的呢?

「伽利略」號先進入木星上空洶湧的高輻射的「粒子海洋」。 「伽利略」號探測器之前也數度進入這一極度危險的「粒子海洋」,承受探測器原設計四倍以上的輻射,探測器為此付出了巨大的代價――部分儀器損毀,照像機被震碎,探測器內載記憶系統失去。去年11月,探測器再度進入危險地帶,結果承受了相當於一天能殺人1000次的強烈輻射。這次,「伽利略」號探測器進入危險地帶后,搭載的系統會進入安全模式,但仍會頑強地向地球傳回大量的數據,幾個小時后,探測器將會徹底沉默,美國東部時間9月21日下午16時,「伽利略」號將轉至木星的背面,緊接著,它將以10萬英里的時速撞向木星上空的雲層,由此產生的相當於太陽表面2倍的溫度和巨大的氣壓將在幾分鐘內將探測器化為烏有! 新聞頻道 > 國際 :「伽利略」號探測器撞木星三問">[3]

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